Текст книги "Расширяя границы Вселенной: История астрономии в задачах"
Автор книги: Владимир Сурдин
Соавторы: Евгений Гусев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 16 страниц)
В учебном пособии представлено 426 задач по истории астрономии. Задачам предшествует краткое историческое введение. Издание призвано помочь в преподавании астрономии в высших учебных заведениях и в школах. Оно содержит оригинальные задачи, связанные с развитием астрономии как науки. Многие задачи носят астрофизический характер, поэтому пособие может быть также использовано на занятиях по физике.
Предисловие
История развития любой науки интересна и поучительна: она показывает эволюцию человеческой мысли, её последовательное проникновение в тайны природы и человеческого бытия. В этом отношении особый интерес представляет астрономия – древнейшая естественная наука. Познание структуры и законов Вселенной происходило фантастическими темпами. От совершенно примитивных попыток объяснения небесных явлений до современного уровня понимания мироустройства прошло всего лишь несколько тысячелетий. За этот период наши представления о Вселенной изменились гораздо сильнее, чем, к примеру, представления о строении материи. Наиболее интенсивно астрономия развивалась в XIX и XX веках. Но даже ещё 100 лет назад люди не догадывались об истинных источниках энергии звёзд, не осознавали огромную роль электромагнитных явлений в космосе, не были уверены в существовании других галактик и не подозревали о глобальном расширении нашего мира.
Невиданные изменения претерпели за последние столетия инструменты и методы астрономии. Однако отнюдь не при помощи гигантских телескопов были получены основные сведения о строении Солнечной системы, о законах, управляющих движением планет и их спутников, астероидов и комет. Главным инструментом любого учёного был и остаётся интеллект. Человеческий ум, используя результаты наблюдений, иногда очень оригинальных, часто ошибаясь, неуклонно продвигается по пути истины.
Знакомство с историей познания Вселенной даёт удивительную возможность приобщиться к процессу научного исследования, оценить потрясающую мощь человеческого интеллекта и его способность создавать методы исследований, разрабатывать технологии, позволяющие изучать загадочные небесные явления и недоступные объекты.
Для изучения истории астрономии имеются фундаментальные курсы А. И. Еремеевой и Ф. А. Цицина (1989), А. Паннекука (1966), А. Берри (1946), А. Кларк (1913), О. Струве и В. Зебергс (1968), книги
Б. Ван – дер – Вардена (1991), А. А. Гурштейна (1991), Ю. Г. Переля (1951), И. А. Климишина (1987), многочисленные статьи и сборники «Историко – астрономические исследования» (М.: Наука), «История астрономии в России и СССР» под ред. ак. В. В. Соболева. Вопросы истории астрономии затрагиваются в курсах астрономии вузов и средней школы. Для усвоения любого учебного курса полезно закреплять теорию практическими упражнениями и решением задач, однако авторам неизвестны задачники по истории астрономии. Таким образом, данная книга представляет собой первую попытку в этом направлении.
Представленные задачи, если следовать терминологии, принятой в преподавании астрономии и физики, в большинстве своём являются качественными задачами. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с количественными задачами, поскольку обычно не требуют математических выкладок и позволяют сосредоточиться на сути изучаемого явления. Их роль существенна для закрепления и углубления знаний. Для повышения эффективности обучения условия задач содержат сопоставления и противопоставления; некоторые задачи могут быть отнесены к парадоксальным, занимательным, экспериментальным или провокационным. Отдельные задачи носят познавательный характер. Наличие подробных ответов повышает информационную ценность задач. Большинство задач посвящено двум фундаментальным эпохам в развитии астрономии – периодам становления гелиоцентрической системы мира и формирования астрофизической картины мира. Задачи последнего раздела сборника основаны на цитатах из трудов и высказываний учёных разных эпох; в определённой степени они дополняют материал предшествующих разделов. Использование подобных задач может сделать более познавательными и интересными учебные занятия и внеаудиторные мероприятия по астрономии.
Для решения задач необходимо хорошее знание учащимися не только астрономии, но и физики. Не все задачи легки. Часто для успешного решения необходима эрудиция, применение неординарных подходов, знакомство с научно – популярными книгами, статьями, дополнительными учебными пособиями. В сборнике нет разделения на задачи для учащихся вузов и задачи для школьников. В астрономии, как и в других науках (но в астрономии – особенно!), уровень знаний и интереса к предмету не имеет резкой образовательной или возрастной зависимости.
Данный труд является продолжением работы авторов по созданию сборников задач по астрономии и астрофизике. Мы благодарим сотрудников Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (МГУ) А. И. Еремееву и Ф. А. Цицина за внимательное прочтение рукописи и дискуссию. Мы также признательны сотрудникам издательства МЦНМО Р. О. Алексееву и М. Ю. Панову за большой труд по подготовке книги.
Авторы.
Сентябрь 2003 года.
Человек стоит на берегу вселенной (немного об истории астрономии)
Берег Вселенной – это наша планета Земля, родина человечества. Мы пристально всматриваемся в космическую бездну. Что там? Обитель богов? Или пространство, заполненное звёздами и планетами, на которых живут разумные существа?
Есть мнение, что наш предок стал человеком не в тот момент, когда он взял в руки палку и замахнулся на дикое животное или иноплеменника, а лишь когда он впервые поднял голову к небу. Человек не может не размышлять. Наряду с привычными заботами о выживании, о еде, о семье у него часто возникает вопрос о своём месте в обществе и мире. Человек разумный во все времена хотел понять и систематизировать картину окружающего мира.
Науки зарождались в связи с практическими потребностями человека. Астрономия – наука о космических телах и всей Вселенной, – возникла прежде всего из необходимости ориентироваться на поверхности Земли. В этом древнему человеку помогли небесные светила: в начале люди определяли по ним направления сторон света, а в более поздние времена научились находить географические координаты на земле и на море. Кстати, эта задача не потеряла своего практического значения и для современного человека: если вам кажется, что теперь мы решаем её при помощи технических средств, то не заблуждайтесь – в основе их работы по сей день лежат небесные светила. Задача определения времени также была решена путём наблюдения небесных тел. Но что бы человек ни делал, помимо конкретных практических целей, в основном определяемых социальной жизнью, он преследует и весьма отвлечённые; человек обладает удивительным свойством – любознательностью. Мы рассматриваем окружающие тела и пытаемся понять их внутреннее строение, их предназначение, их связь с другими телами и с нами самими.
Интерес человека к небесным объектам – Солнцу, Луне, звёздам и планетам – это не исключительное, а закономерное явление. Часть земной поверхности, доступная для изучения, всегда была ограничена линией горизонта или возможностью нашего перемещения; в конце концов – конечным размером планеты. Небо же, напротив, предоставляет нам уникальную возможность проникновения: днём мы можем видеть яркие, а значит, близкие космические тела, ночью же наш взор проникает в глубины Вселенной. Изобретение телескопа и его дальнейшее совершенствование позволило увидеть очень далёкие объекты и приблизиться к пониманию структуры и физики космоса.
Наука – это деятельность, направленная на получение объективных знаний о мире и создание на их основе картины мира, т. е. упорядоченного представления о строении мира и царящих в нём взаимосвязях. Каждая наука изучает определённый аспект окружающей действительности и как бы создаёт свою модель мира; можно говорить о физической, биологической и прочих моделях мира. Изучение важнейших объектов Вселенной ведёт нас к построению астрономической картины мира.
Любая наука эволюционирует, т. е. рождается, развивается, дифференцируется, сливается с другими науками. Среди точных наук особенно большой интерес представляет развитие астрономии. В масштабе эволюции нашей планеты все науки очень молоды. Земля как космическое тело существует 4,6 млрд лет. Жизнь на планете зародилась неизвестным путём более трёх миллиардов лет назад. Человек современного типа живёт на Земле около 300 тыс. лет. Цивилизации, частью социальной жизни которых стала наука, существуют около 10 тыс. лет. Однако большинство современных научных дисциплин существуют всего несколько столетий. Астрономия в этом смысле занимает особую позицию: согласно письменным источникам, она непрерывно развивается около 5000 тыс. лет, начиная с эпохи Древнего Шумера, Египта, Китая. А косвенные данные, такие, как названия созвездий, первые попытки изображения звёздного неба, счёт времени по лунным фазам, космологические мифы разных народов свидетельствуют о гораздо более раннем зарождении астрономии. К настоящему времени человек смог в основном понять устройство Вселенной, хотя существует ещё много трудных задач, решить которые, возможно, удастся в текущем веке. Итак, проследим основные этапы развития астрономии.
Мифологическая астрономия
В древности мир небесный, идеальный противопоставлялся земному, грешному миру. По примитивным представлениям тех времён в идеальном мире могли жить только боги, герои, сверхъестественные существа. В группах звёзд, будущих созвездиях, люди видели особых существ. О них слагались мифы. Так, заметная конфигурация звёзд
Большой Медведицы представлялась нашим предкам ковшом из семи звёзд, а вот древние греки видели в этой области неба медведя: в южных широтах на ночном небе отчётливо выделяются слабые звёзды, а они вместе со звёздами Ковша действительно образуют фигуру, напоминающую силуэт медведя. Для объяснения длинного хвоста (как известно, у медведей короткий хвост) возникла дополнительная легенда. Римляне же видели в ярких звёздах Большой Медведицы семь волов. Подобные мифы охватывают всё звёздное небо.
Наиболее подробная мифология, касающаяся космических объектов, дошла до нас от древних греков, но похожие мифы, указывающие на интерес даже первобытных людей к звёздному небу, Солнцу, Луне имелись у многих народов мира. В более близкие к нам эпохи активными наблюдателями звёздного неба были средневековые арабы. Перемещаясь с караванами по пустыням и полупустыням Аравии преимущественно в прохладное время суток, т. е. ночью, они наблюдали и поэтому хорошо знали звёздное небо. В то время как названия созвездий уходят в глубокое доисторическое прошлое, большинство названий звёзд даны в исторический период; об этом свидетельствует то, что большинство звёзд носит арабские имена. Так, Вега (аЛиры) – от арабского слова «ваки», что означает коршун.Пристальный взгляд на небо позволил арабским наблюдателям обнаружить и первую переменную звезду – β Персея. По мнению средневековых арабов, все звёзды, дающие постоянный свет, – это глаза ангелов. А вот β Персея, являющаяся затменно-переменной, раз в трое суток уменьшает свой блеск на 1,5 звёздной величины за 3,5 часа и за такое же время увеличивает его до прежнего уровня. Наблюдателям того времени «подмигивающая» звезда представлялась оком дьявола. Бедуины называли её Эл-Гуль(Алголь), что и означает Дьявол.
Наличие на небе не только звёзд, но и Солнца, Луны, блуждающих звёзд (планет), движущихся особым образом относительно друг друга, привело древних мыслителей к представлению о многослойности мироздания. По воззрениям вавилонян, весь мир находится внутри безбрежного космического океана. Кроме него существует земной океан, в центре которого находится Земля в виде горы с семью уступами, населённая людьми. Над Землёй простираются небеса, имеющие вид свода, состоящего из трёх, а по некоторым мифам – из семи слоёв. Подземный мир, по аналогии с небесным миром, также представлялся многоярусным. Идея о многоэтажности мироздания сохранилась и даже развилась в воззрениях древних китайцев и индийцев, в иудейской, буддийской и мусульманской религиях.
Античная астрономия
Античный период в астрономии продолжался примерно с VII в. до н. э. по V в. н. э. В это время возникают зачатки наук. Общие представления о мире ещё довольно примитивны, но возникают гениальные догадки. Попытки познать Вселенную уже основываются на научном подходе, хотя учёные ещё не освободились полностью от пут мифологии. Представления этой эпохи послужили основой для истинно научных теорий следующего этапа развития человечества. Эта же эпоха характеризуется появлением и совершенствованием астрономических угломерных инструментов.
Согласно учению древнегреческого философа Платона (427–347 гг. до н. э.), бог сотворил Солнце, Луну и пять планет (до изобретения телескопа самой дальней планетой Солнечной системы считался Сатурн) и поместил их на семь «кругов». Движение небесных тел философ объяснял сложением суточного движения сферы звёзд вокруг оси мира и самостоятельного движения других сфер в противоположном направлении вокруг оси эклиптики. В центре всей этой системы небесных тел помещалась Земля. По представлениям Платона, упомянутые семь небесных светил располагались по удалённости от нашей планеты в следующем порядке: Луна, Солнце, Венера, Меркурий, Марс, Юпитер, Сатурн. Идеи Платона, с одной стороны, были в русле мифологических представлений того времени о многослойности космоса. С другой стороны, это была серьёзная попытка определить реальную структуру Солнечной системы и объяснить видимое движение небесных тел. Евдокс Книдский (ок. 408 – ок. 355 гг. до н. э.) впервые попытался создать математическую теорию движения планет. С Гиппарха (II в. до н. э.) начинается развитие количественной теории движения небесных тел – расчёт движения Луны, прогноз солнечных и лунных затмений. Движения небесных тел в ту эпоху считались исключительно круговыми, ибо философы полагали, что в небесах должны происходить только совершенные движения.
Первой научной моделью мира можно считать систему, предложенную древнегреческим астрономом Клавдием Птолемеем (ок. 87 – 165 гг. н. э.), проведшим детальную математическую разработку идей своих научных предшественников. Как и Платон, Птолемей поместил в центре мира Землю. Модель мира Птолемея была достаточно сложной: каждая планета двигалась по особой окружности – эпициклу,центр которой двигался по большей окружности – деференту. Размеры эпициклов и деферентов и их наклонения были выбраны таким образом, что модель позволяла довольно точно рассчитывать положения планет на небесной сфере. Звёзды считались неподвижными и располагались на самой удалённой от Земли сфере.
Птолемей оставил после себя фундаментальный научный труд в 13 книгах, в котором не только изложил и обосновал свою модель мира, но также собрал и систематизировал все астрономические знания того времени. Через арабских учёных этот труд под названием «Альмагест» дошёл до нас. Модель мира, предложенная Птолемеем, оставалась общепризнанной около полутора тысяч лет.
Средневековая астрономия
Прогресс в изготовлении приборов для астрономических измерений не вооружённым оптикой глазом позволил точнее фиксировать движения планет, а развитие математики позволило точнее вычислять теоретические значения. При этом выяснилось, что согласие между теорией Птолемея и наблюдениями оставляет желать лучшего. Было немало предложений и споров о том, как выйти из этого положения. Но основная схема Птолемея, представляющая движение планет вокруг Земли комбинацией равномерно вращающихся окружностей, применялась вплоть до Возрождения.
В Римской империи астрономия не развивалась. Римляне внесли много нового в политику, юриспруденцию и технику, но астрономию они почти не продвинули. Во времена распада империи и нашествия варваров, т. е. в эпоху поздней античности и раннего средневековья, астрономия на Западе стала угасать. Она ещё существовала в нетворческом виде, переходя в форме текстов из одного сборника в другой, но механическое переписывание древних работ сопровождалось множеством ошибок. Составление календаря стало большой проблемой, и даже на такое рутинное дело, как определение основанных на лунном календаре дат религиозных праздников (например, Пасхи), были способны лишь немногие образованные люди. Каталоги и рассчитанные Птолемеем таблицы сохранились, но всё меньше людей понимало их и могло использовать. Те немногие энтузиасты, которые ещё проводили наблюдения и фиксировали астрономические события, пользовались солнечными часами и простейшими приборами.
В период после падения Рима, когда астрономия угасала в Европе, эта эллинистическая наука прижилась и пустила мощные корни в соседних культурах Среднего Востока и Азии, а также Индии. Были построены многочисленные обсерватории, крупнейшей из которых стала обсерватория Улугбека в Самарканде. Учёные Востока овладели всеми астрономическими знаниями предшествовавших эпох, они исправляли и дополняли методы Птолемея.
Даже после так называемого возрождения XII века,когда некоторые работы Аристотеля были переоткрыты, и на Запад пришли интеллектуально наполненные времена схоластики,астрономия оставалась в упадке. Правда, стали популярными космологические диспуты, касающиеся общего строения Вселенной. Теологи и учёные написали к сочинениям Аристотеля множество комментариев. Вместе с Библией и трудами отцов церкви работы Аристотеля стали основой обучения. Предметом пылких дискуссий было устройство небесных сфер и принципы их движения, возможная множественность миров и даже природа Луны.
Эти дискуссии подготовили образованный Запад к интеллектуальному взлёту XIV века, когда сохранившиеся в арабских странах античные знания хлынули в Европу. Только тогда европейские астрономы смогли прочитать Птолемея, Аристотеля и других классиков в полном объёме и, что ещё важнее, увидеть развитие античной астрономии.
Возрождение
К XVI веку стало ясно, что геоцентрическая модель мира Птолемея далека от совершенства настолько, что уже не удовлетворяет возросшей точности астрономических наблюдений. Попытки её модернизации путём усложнения системы эпициклов и деферентов не решали главной задачи и делали эту систему малоправдоподобной.
На смену модели Птолемея пришла гелиоцентрическая модель мира, предложенная польским учёным Николаем Коперником (1473–1543). Идея гелиоцентризма была не нова. Ещё Аристарх Самосский (ок. 310–230 до н. э.) полагал, что Солнце неподвижно и находится в центре мира, а Земля обращается вокруг него. Но взгляды Аристарха опередили своё время и были забыты.
Коперник совершил коренной переворот в астрономии. На смену умозрительным построениям древних учёных пришло новое понимание строения Солнечной системы. Теория Коперника вполне отвечала философскому принципу «бритвы Оккама»: не умножай сущностей без необходимости.Модель мира Коперника не только оказалась проще системы Птолемея, но и правильно отразила физическую картину: в центр мира Коперник поместил Солнце, как позднее выяснилось, – наиболее массивное тело Солнечной системы. Кроме того, он установил верный порядок расположения планет по их удалённости от Солнца и правильно определил их относительные расстояния.
Однако теория Коперника, несмотря на её революционный характер, не смогла до конца порвать со старыми представлениями об устройстве мира. Так, в теории Коперника сохранились эпициклы, хотя их число было меньшим, чем у Птолемея. Но эпициклы были необходимы, ибо орбиты планет по – прежнему полагались круговыми, а не эллиптическими. Сохранялась и сфера неподвижных звёзд; таким образом, Солнце оказывалось центром не только Солнечной системы, но и всей Вселенной. Точность расчёта положений планет по Копернику была примерно такой же, как и по модели Птолемея.
Идеи Коперника долго ждали научного и, тем более, общественного признания. Этому препятствовало не только психологическое недоверие обывателей, каждый день видящих движение Солнца и звёзд вокруг неподвижной Земли, но и вполне резонные возражения образованных людей. Движение Земли вокруг Солнца должно приводить к параллактическому смещению ближних звёзд в течение года, которое (хотя и были попытки его наблюдать) не отмечалось, да и не могло быть замечено в XVI веке по причине своей малости. Параллаксы звёзд были обнаружены только в первой половине XIX столетия.
Важные свидетельства в пользу гелиоцентрической системы Коперника дали первые телескопические наблюдения неба, проделанные Галилео Галилеем (1564–1642). Он увидел в свои ещё несовершенные зрительные трубы рельеф Луны, пятна на Солнце, звёзды в Млечном Пути. Он обнаружил также изменение фаз Венеры, что однозначно свидетельствовало о её движении вокруг Солнца. Открытие им спутников Юпитера и изучение их движения показало, что одно из основных свойств мира – его иерархическая структура.
Следующим этапом в создании научной картины мира стали труды Иоганна Кеплера (1571–1630), открывшего принципиально важные для астрономии законы планетных движений. Впервые было доказано, что планеты движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам; что скорость движения планеты закономерно зависит от её расстояния от Солнца; была найдена связь между периодами обращения планет и большими полуосями их орбит. Законы Кеплера носили кинематический характер: они устанавливали закономерности движения планет, но не вскрывали их причину. Открытие законов планетных движений оказалось возможным благодаря использованию Кеплером многолетних астрометрических наблюдений Марса, проведённых знаменитым датским астрономом Тихо Браге (1546–1601).
Выдающийся английский физик, астроном и математик Исаак Ньютон (1643–1727) завершил создание классической астрономии, подвёл теоретическую основу под эмпирические закономерности, найденные его предшественниками. Ньютон из открытого им закона всемирного тяготения не только вывел законы планетных движений, но и смог обобщить и уточнить их. Первый обобщённый закон Кеплера утверждает, что одно космическое тело может двигаться в поле тяготения другого космического тела по одному из пяти конических сечений: окружности, эллипсу, параболе, гиперболе и прямой линии. Второй закон, как показал Ньютон, является следствием закона сохранения момента импульса. В математическое выражение третьего обобщённого закона вошли массы обоих гравитационно взаимодействующих тел, что позволило использовать этот закон для определения масс космических объектов.
Полученные Ньютоном обобщения законов планетных движений превратили эти законы в динамические, поэтому Ньютона по праву считают основоположником небесной механики. Но он был не только выдающимся теоретиком, но и незаурядным экспериментатором. Открытие им дисперсии света положило начало чрезвычайно плодотворному методу спектрального анализа, позволившему измерять температуру звёзд, изучать физические условия и химический состав небесных объектов. Ньютон изобрёл телескоп – рефлектор, свободный от хроматической аберрации. Ныне все крупные телескопы – рефлекторы.
